宇宙環境を利用した骨格筋可塑性制御遺伝子の探索

• 研究課題/領域番号: 22KJ0397
• 補助金の研究課題番号: 22J10954 (2022)
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 基金 (2023); 補助金 (2022)
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分59040:栄養学および健康科学関連
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 林 卓杜 筑波大学, 医学医療系, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 1,700千円 (直接経費: 1,700千円); 2023年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2022年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
• キーワード: 骨格筋 / 筋線維タイプ / 筋萎縮 / 微小重力 / 月面重力 / 宇宙 / 筋再生

研究開始時の研究の概要

微小重力環境下において、ヒラメ筋は筋萎縮や筋線維タイプ移行を引き起こす。これまでに国際宇宙ステーションにおいて微小重力下や遠心機を用いて月面重力下（1/6 g）で飼育したマウスのヒラメ筋を解析してきた。ヒラメ筋重量は、月面重力と地上対照は同程度であり、微小重力で見られる筋重量の減少は見られなかった。今後、筋線維タイプの組織評価やRNAシークエンスによる遺伝子発現プロファイルを比較することで、重力に依存する筋萎縮や筋線維タイプ移行のメカニズムを明らかにする。

研究実績の概要

後肢骨格筋の内、ヒラメ筋は遅筋線維を多く含み抗重力筋とも呼ばれる。微小重力環境下において、ヒラメ筋は筋萎縮や筋線維タイプ移行を引き起こす。これまでに国際宇宙ステーションにおいて微小重力下や遠心機を用いて月面重力下（1/6 g）で飼育したマウスのヒラメ筋を解析してきた。月面重力におけるヒラメ筋は筋重量や筋断面積は地上対照と同程度であり筋萎縮は生じていないことがあきらかとなった。一方で免疫組織化学染色により筋線維タイプの速筋化について解析したところ、微小重力よりも程度は下がったものの月面重力でも速筋化は生じていた。つまり、骨格筋の量的変化と質的変化を制御する重力閾値はそれぞれ別々に存在していることが明らかとなった。
これらヒラメ筋についてRNAseqによる網羅的遺伝子変動解析を行ったところ、月面重力と微小重力の遺伝子発現変動パターンは類似しているものの、一部の遺伝子群については微小重力でのみ特異的に変動していることを見出した。これらの遺伝子変動について詳細に解析したところ、速筋線維(TypeIIb線維)を制御している主要因子としてLarge Maf群の同定に成功した。骨格筋において発現しているLarge Maf群（c-Maf, MafA, MafB）を骨格筋において欠損させたマウスでは、TypeIIb線維はほとんど消失しており、トレッドミルなどの運動能解析では持久力が向上することを見出すことができた。
また、以前に実施した微小重力と宇宙における人工重力1gのRNAseq解析によって得られた筋萎縮制御候補遺伝子のノックアウト(KO)マウスの主な表現型では、筋再生が遅れて生じることを見出してる。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

月面重力が骨格筋に与える影響を解析した成果は筆頭著者としてCommunications Biologyに筆頭著者として発表することができている。また、Large Maf群の解析成果はCell Reportsに共同著者として発表した。
一方で、当初予定していた骨格筋制御候補遺伝子に対するアデノ随伴ウイルス実験については、新規遺伝子の精査やウイルス作製に手こずり予定よりも遅れてしまっている。

今後の研究の推進方策

過去に抽出している２つの遺伝子について、２重欠損マウスの筋損傷実験を解析したところ野生型マウスよりも筋再生が遅れて生じることを見出している。今後このマウスの骨格筋幹細胞の増殖能や分化能を解析し、分子機構を解明していく予定である。
また、新たに得られた月面重力のRNAseq解析データを利用して、重力負荷の減弱による筋萎縮を誘導する主要因子の同定や分子機構のメカニズム解明を進めていきたい。

研究成果

• [雑誌論文] Lunar gravity prevents skeletal muscle atrophy but not myofiber type shift in mice (2023)
  • 著者名/発表者名: Hayashi T、Fujita R、Okada R、Hamada M、Suzuki R、Fuseya S、Leckey J、Kanai M、Inoue Y、Sadaki S、Nakamura A、Okamura Y、Abe C、Morita H、Aiba T、Senkoji T、Shimomura M、Okada M、Kamimura D、Yumoto A、Muratani M、Kudo T、Shiba D、Takahashi S
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 6 号: 1
  • DOI: 10.1038/s42003-023-04769-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Large Maf transcription factor family is a major regulator of fast type IIb myofiber determination (2023)
  • 著者名/発表者名: Sadaki Shunya、Fujita Ryo、Hayashi Takuto、Nakamura Ayano、Okamura Yui、Fuseya Sayaka、Hamada Michito、Warabi Eiji、Kuno Akihiro、Ishii Akiko、Muratani Masafumi、Okada Risa、Shiba Dai、Kudo Takashi、Takeda Shin’ichi、Takahashi Satoru
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 42 号: 4 ページ: 112289-112289
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2023.112289
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Lunar gravity prevents skeletal muscle atrophy, but not muscle fiber type transition (2022)
  • 著者名/発表者名: Takuto Hayashi1, Ryo Fujita2, Risa Okada3, Michito Hamada1, Riku Suzuki1, Sayaka Fuseya1, James Leckey1, Maho Kanai1, Yuri Inoue1, Shunya Sadaki1, Ayano Nakamura1, Yui Okamura1, Chikara Abe4, Hironobu Morita5, Masafumi Muratani6, Takashi Kudo1, Dai Shiba3, Satoru Takahashi1
  • 学会等名: American Astronautical Society’s (AAS) 15th Wernher von Braun Memorial Symposium（Hantuvil）
  • 国際学会
• [学会発表] 月重力による骨格筋可塑性への影響 (2022)
  • 著者名/発表者名: 林卓杜、藤田諒、岡田理沙、濱田理人、布施谷清香、金井真帆、井上由理、定木駿弥、村谷匡史、蕨栄治、工藤崇、大、高橋智
  • 学会等名: 第95回(2022年度)日本生化学会大会（名古屋）
• [図書] 生化学会誌 (2022)
  • 著者名/発表者名: 林卓杜 工藤崇 高橋智
  • 総ページ数: 939
  • 出版者: 公益社団法人 日本生化学会
• [図書] 週刊医学のあゆみ (2022)
  • 著者名/発表者名: 林卓杜 工藤崇 高橋智
  • 出版者: 医歯薬出版株式会社